在含有铱的卟啉-MOF纳米酶中构建一种由β-环糊精介导的疏水微环境，以增强黄曲霉素B的免疫测定

《Microchemical Journal》：Engineering a β-Cyclodextrin-mediated hydrophobic microenvironment within iridium-incorporated porphyrin-MOF nanozyme for enhancing aflatoxin B 1 immunoassay

纳米酶替代天然酶因合成简便、成本低且稳定性好而备受关注，但金属有机框架（MOF）基纳米酶因活性位点暴露不足导致催化效率低下。本研究通过β-环糊精（β-CD）掺杂构建CD-PCN-224-Ir纳米酶，利用β-CD的亲水外层和疏水内腔形成微环境，增强底物吸附与过渡态稳定，使比活性提升2.6倍（424 U/mg vs 161 U/mg）。该纳米酶作为ELISA催化标签，实现黄曲霉毒素B1检测限12.6 pg/mL，半抑制浓度60.9 pg/mL，为MOF基纳米酶性能优化和食品检测应用提供新策略。

　　

朱越晨|吴宇豪|谭新柳|姜柳|熊永华

中国江西省南昌大学食品科学与技术学院食品科学与资源国家重点实验室，南昌330047

摘要

纳米酶因其易于合成、成本效益高和出色的储存稳定性而成为天然酶的有前景的替代品。然而，特别是那些来自金属有机框架（MOFs）的纳米酶的催化性能仍然不理想，因为它们的底物亲和力较低。在这项研究中，我们开发了一种掺杂β-环糊精的含铱卟啉-MOF纳米酶（CD-PCN-224-Ir）。掺入的铱成分作为高活性的催化中心，表现出类似过氧化物酶的活性。同时，掺杂的β-环糊精创建了局部疏水微环境，有助于富集四甲基联苯胺等疏水底物。因此，CD-PCN-224-Ir的比活性（424 U/mg）比未掺杂的版本（161 U/mg）提高了2.6倍。利用这种改进的催化性能，我们构建了一种基于CD-PCN-224-Ir的酶联免疫吸附测定法，用于超灵敏检测黄曲霉素B₁，检测限达到12.6 pg/mL，半最大抑制浓度为60.9 pg/mL。这项工作不仅提供了一种通过仿生微环境调节来增强MOF纳米酶活性的有效策略，还展示了其在食品安全监测中的巨大潜力。

引言

纳米酶被定义为具有天然酶模拟活性的纳米材料，由于其易于合成、高稳定性和成本效益以及可扩展性，已成为天然酶的有效替代品[1,2]。迄今为止，已经从金属、金属氧化物、碳基结构和复合材料等多种材料中开发出了多种纳米酶，包括模拟氧化酶[3,4]、过氧化物酶[5]、过氧化氢酶[6,7]和超氧化物歧化酶[8,9]的纳米酶[10,11]。这些材料在生物传感[12],[13],[14],[15]、医疗治疗[16],[17],[18]以及环境和农业系统管理[19],[20],[21]中具有广泛的应用。其中，金属有机框架（MOFs）作为纳米酶支架表现出非凡的潜力，因为它们具有明确的配位结构、高密度的催化位点和可调的孔隙率，这些都有助于底物的有效扩散和分子识别[22,23]。尽管有这些优势，基于MOFs的纳米酶的实际性能往往受到活性位点可及性和底物亲和力低的限制，导致其催化效率低于天然酶。

最近的研究越来越多地关注仿生设计策略，旨在复制天然酶的活性中心和微环境[24],[25],[26]。许多天然酶的一个关键特征是它们的疏水催化口袋，这些口袋可以集中底物、稳定过渡态并提高反应特异性[27,28]。受此启发，一些研究试图在纳米酶上设计疏水表面以增强催化活性[29,30]。然而，这些表面修饰通常会降低胶体稳定性和生物相容性。更重要的是，在复杂环境中，疏水表面容易因非特异性蛋白质吸附或阻断剂而失活，从而降低其催化性能。β-环糊精（β-CD）是一种由七个葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接的环状寡糖，具有亲水的外表面和由碳-氢骨架形成的疏水内腔[31],[32],[33]。这种独特的两亲结构使β-CD能够在水溶性框架内容纳疏水客体[33,34]。因此，将β-CD整合到纳米酶的内部框架中是一种在不改变表面物理化学性质的情况下构建内部疏水微环境的有前景的方法。

基于这些见解，我们提出了一种仿生设计和合成的β-CD掺杂的含铱卟啉-MOF纳米酶（CD-PCN-224-Ir），它复制了天然过氧化物酶的催化中心和疏水口袋。值得注意的是，掺入的铱纳米晶体作为高活性催化中心，赋予了类似过氧化物酶的活性。此外，掺杂的β-CD创建了局部疏水微环境，增强了底物亲和力和催化转化率。系统评估证实了β-CD在提高催化性能的同时保持表面亲水性和生物相容性的关键作用。此外，我们展示了CD-PCN-224-Ir作为竞争性酶联免疫吸附测定（ELISA）中的催化标签在超灵敏检测黄曲霉素B₁（AFB₁）方面的实际应用，实现了卓越的灵敏度和选择性。据我们所知，这是首次通过β-CD掺杂在MOF纳米酶内部工程化疏水微环境的实例，为提高纳米酶性能及其在生物传感等领域的应用提供了一种通用且受生物启发的策略。

材料与试剂

苯甲酸（BA）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、荧光异硫氰酸酯（FITC）、罗丹明B（RhB）、巯基-β-环糊精（β-CD）和ZrOCl₂·8H₂O从Aladdin（中国上海）购买。H₂O₂（30% w/w）、5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉（TCPP）、二甲基亚砜（DMSO）、Tween-20和N,N-二甲甲酰胺（DMF）从Macklin（中国上海）获得。牛血清白蛋白（BSA）和酪蛋白来自Solarbio（中国北京）。抗AFB₁单克隆抗体

CD-PCN-224-Ir的合成与表征

CD-PCN-224-Ir的合成路径如图1a所示。首先，通过溶剂热反应将具有亲水外表面和疏水内腔的锥形β-CD（图S1）整合到多孔配位网络中，使用氯化锆作为金属前体，TCPP和巯基-β-CD作为有机连接剂，苯甲酸作为稳定剂。SEM图像显示，合成的CD-PCN-224呈现出分散良好的球形形态（

结论

总之，我们成功设计并合成了一种掺杂β-环糊精的含铱卟啉-MOF纳米酶。整合的铱纳米晶体作为高活性催化中心，提供了类似过氧化物酶的活性。掺杂的β-CD在MOF通道内建立了仿生的疏水微环境，模仿了天然酶的疏水口袋，将底物集中在活性位点附近。动力学分析证实CD-PCN-224-Ir表现出显著的

CRediT作者贡献声明

朱越晨：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理，概念构思。吴宇豪：撰写——原始草稿，方法学，研究，正式分析，概念构思。谭新柳：方法学，研究，概念构思。姜柳：方法学，研究，正式分析。熊永华：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32160599, 32560601）、江西省重点研发计划（20232BBG70030, 20232BCD44004）和江西省地方科技发展指导基金（20252ZDD020002）的支持。